پردازش تصویر چیست؟ تا چه حد آن را می شناسید؟

شما جزء افرادی هستید که میدانید پردازش تصویر چیست یا نه؟ فرقی نمی‌کند که جزء کدام دسته باشید، کافیست برای آشنایی بیشتر با این واژه، کمربندهای ایمنی خود را بسته و با گردش علمی امروز ما همراه شوید.

تاریخچه پردازش تصویر چیست؟

اجازه دهید در شروع سفر شما را با تاریخچه آن آشنا کنم.

دهه 1960در آزمایشگاه جت پروپالژن، موسسه فناوری ماساچوست، آزمایشگاه‌های بل، دانشگاه مریلند و چند موسسه تحقیقاتی دیگر کارهایی چون تصویربرداری ماهواره ای، تبدیل استاندارد رادیو عکس، تصویر برداری پزشکی، ویدیوفون، شناسایی حروف و تقویت عکس با استفاده از تکنیک‌های پردازش تصویر دیجیتال یا پردازش تصویر که اغلب اینگونه نامیده می‌شد، توسعه داده شدند؛ اما هزینه این پردازش با تجهیزات کامپیوتری نسبت به آن زمان بالا بود. تا این که در دهه 1970 با دسترسی به رایانه‌های ارزانتر و تغییر و تحول در سخت‌افزارهای مخصوص، پردازش تصویر دیجیتال گسترش پیدا کرد.

در آن زمان پردازش همزمان تصاویر برای مساله‌های خاصی چون تبدیل استانداردهای تلویزیون ممکن بود. با سریع‌تر شدن رایانه‌های چند منظوره، جای سخت‌افزارهای مخصوص را برای تمامی کارها به جز تخصصی‌ترین عملیات گرفتند و در سال 1994 در تالار مشاهیر فناوری فضایی، از فناوری پردازش تصویر برای کاربردهای پزشکی رونمایی شد. با فراهم شدن رایانه‌ها و پردازنده‌های سیگنالی در سال 2000 پردازش تصویر دیجیتال به متداول‌ترین شکل پردازش تصویر تبدیل شد.

پردازش تصویر چیست؟

در ابتدای سفر شما را با تاریخچه، آشنا کردیم. اکنون میخواهم با یک تعریف کلی و مفید به شما بگویم که این تکنولوژی چیست؟ در واقع پردازش تصویر که امروزه به آن پردازش تصویر دیجیتال گفته می‌شود عبارت است از: استفاده از الگوریتم‌های کامپیوتری جهت انجام پردازش تصویر روی تصاویر دیجیتالی.

در واقع پردازش تصویر روشی است که در آن میتوان یک تصویر به عنوان ورودی دریافت کرده و با استفاده از یک سری عملیات بر روی آن، تصویری به عنوان خروجی دریافت شود. این خروجی می‌تواند شامل: نمایش و چاپ تصویر، ویرایش تصویر، بهبود تصویر، کشف و تشخیص یک ویژگی خاص در تصویر و فشرده‌سازی تصویر باشد.

رشته‌های مشابه پردازش تصویر چه نام دارد؟

پردازش تصویر یا Image Processing با موارد مشابه آن مانند Image Analysis و Computer Vision یکسان در نظر گرفته می‌شود در حالی که این سه مورد تفاوت‌های زیادی دارند. اگر چه هر سه این موارد به منظور مطالعه تصاویر دیجیتالی استفاده می‌شوند اما در سطوح مختلفی قرار دارند. اجازه دهید بیشتر برایتان توضیح دهم.

 

 

 

در واقع Image Analysis برای استخراج اطلاعات معنی‌دار از تصویر است. اطلاعاتی مانند: تقسیم‌بندی، تطبیق و مقایسه تصاویر تشخیص پزشکی است و Computer Vision برای تقلید از سیستم بینایی انسان است که هدف آن، تفسیر سه بعدی جهان به کمک تصاویر دو بعدی یا فیلم است. تفاسیری مثل: تشخیص شی، ردیابی حرکت و سه بعدی‌سازی.

می توان گفت Image Analysis و Computer Vision سطوح بالاتری از Image Processing هستند. گر چه در عموم به همه آنها Image Processing  گفته می شود.

برای پردازش تصویر چه مراحلی وجود دارد؟

اولین مرحله، گرفتن تصویر با اسکنرهای نوری یا دوربین‌ها و حسگرهای دیجیتالی برای به دست آوردن اطلاعات ورودی است. بعد از انجام این مرحله پیش پردازش به حذف نویز و جداسازی و ارتقا تمایز نواحی که احتمال وجود اطلاعات حرفی و عددی است می‌پردازد. در قدم بعدی به تجزیه و تحلیل تصویر که شامل فشرده‌سازی اطلاعات، بهبود تصویر و تشخیص الگوها که یکی از مشکل‌ترین بخش در پردازش تصویر دیجیتال است، پرداخته می‌شود. در واقع هدف ما در این مرحله خروج داده‌های پیکسلی خام به صورت مرز یا به صورت یک ناحیه است تا داده‌ها به شکل مناسب برای پردازش رایانه‌ای تبدیل شود.

حالا باید بدانید که داده‌ها را به صورت مرزی نمایش دهیم یا به صورت یک ناحیه کامل؟

در واقع نمایش مرزی زمانی استفاده می‌شود که مشخصات خروجی مثل گوشه یا خمیدگی‌ها مد نظر ما باشد و از نمایش ناحیه‌ای برای مشخصات درونی بخش‌ها مثل بافت یا استخوان‌بندی شکل، استفاده می‌شود که ممکن است در یک پردازش تصویر به هر دو روش نیاز باشد.

حال به آخرین مرحله یعنی خروجی پردازش رسیدیم. میتواند تصویر یا گزارشی از نتیجه تجزیه و تحلیل تصویر باشد که شامل اطلاعاتی از توصیف‌گرهای یک بر چسب به شی و انتساب معنا به یک مجموعه از اشیا است.

 

چه عملیاتی در پردازش تصویر مهم است؟

• تبدیلات هندسی: مثل تغییر اندازه، چرخش و…

• رنگ: مثل تغییر روشنایی، وضوح و یا تغییر فضای رنگ، ترکیب تصاویر مثل ترکیب دو یا چند تصویر.

• فشرده‌سازی تصویر: مثل کاهش حجم تصویر ناحیه‌بندی یعنی تجزیه تصویر به نواحی با معنی.

• بهبود کیفیت: کاهش نویز و افزایش کنتراست، سنجش کیفیت تصویر، ذخیره‌سازی اطلاعات در تصویر، انطباق تصویر.

انواع روش‌های پردازش تصویر چیست؟

اگر تا اینجای سفر لذت برده‌اید، در ادامه این مسیر همراه ما باشید چرا که میخواهیم شما را با انواع روش‌های پردازش تصویر و همچنین کاربردهای آن در حیطه‌های مختلف، آشنا کنیم.

دو روش برای پردازش تصویر وجود دارد:

1. آنالوگ

2. دیجیتال

از تکنیک آنالوگ برای پردازش تصویر در چاپ عکس استفاده می‌شود و از تکنیک دیجیتال برای کاربردهای متعددی از تجزیه و تحلیل تصاویر ماهواره‌ای گرفته تا کنترل قطعات میکروسکوپی مورد استفاده قرار میگیرد.

کاربردهای پردازش تصویر چیست؟

• کیهان‌شناسی برای بهبود کیفیت تصاویر

• زیست‌شناسی برای بهبود کیفیت تصاویر و افزایش کنتراست

• پزشکی برای تشخیص بیماری‌های مختلف از طریق تشخیص ویژگی‌های گوناگون مانند: تشخیص تومور مغزی و شکستگی استخوان

• موارد امنیتی برای تشخیص چهره یا اثر انگشت

• تصاویر ماهواره‌ای برای تشخیص تغییرات، Image matching، بهبود تصاویر و افزایش کنتراست

• کاهش نویز برای بهبود کیفیت تصاویر و افزایش کنتراست کمک می‌نماید که برای این منظور تصویر نویزی را وارد الگوریتم پردازش تصویر کرده و نویز را کاهش دهیم.

• افزایش کنتراست یکی دیگر از کاربردهای پردازش تصویر است که در مراحل قبلی به آن اشاره کردیم.

• کنتراست به معنای تضاد و منظور از آن در پردازش تصویر، واضح نمودن تمایز میان اشیای مختلف در تصویر که پیش نیاز اموری مانند تشخیص عوارض، اشیا و ویژگی‌ها می‌باشد.

• تشخیص لبه یکی دیگر از مواردیست که برای تشخیص عوارض، اشیا و ویژگی‌ها ضروریست و یکی از پردازش‌های پایه در پردازش تصویر می‌باشد.

• فشرده‌سازی تصویر، به معنای کاهش سایز و حجم آن بدون تغییر کیفیت می‌باشد. سایز تصاویر یکی از موارد مهم در ثبت، ذخیره‌سازی و پردازش آن‌ها می‌باشد. به عنوان مثال تصاویر هوایی و ماهواره حجم بالایی داشته و این امر ذخیره‌سازی و پردازش آن را با مشکل مواجه می‌کند. به کمک پردازش تصویر می‌توان حجم آن‌ها را متناسب با کاربردشان بدون تغییر کیفیت کاهش داد.

چه روش‌هایی برای فشرده‌سازی در پردازش تصویر وجود دارد؟

•  روش JPEG

این روش در فشرده‌سازی عکس‌های گرافیکی استفاده می‌شود. JPEG اولین و ساده‌ترین روش فشرده‌سازی تصویر است که سعی می‌کند تصاویر متحرک به صورت فریم به فریم فشرده شوند و برای ارتباط دادن این عکس‌ها به هم از Motion JPEG استفاده می‌شد که مشکلاتی داشت.

• روش MPEG

در این روش اطلاعات تصویر حدود ۵.۱ مگابیت برثانیه انتقال داده می‌شود که برای تصاویر ویدیوئی مورد استفاده قرار می‌گرد. این روش امکان ذخیره حدود ۶۵۰ مگابایت اطلاعات معادل حدود ۷۰ دقیقه تصویر متحرک در یک دیسک را می‌دهد. در MPEG اطلاعات به صورت سریال و به همراه آن بیت‌های کنترل و هماهنگ کننده ارسال می‌شوند که موقعیت و نحوه قرارگیری بیت‌های اطلاعاتی را برای ثبت اطلاعات صدا و تصویر تعیین می‌کند.

• روش MPEG 2

در این روش، از ضریب فشرده‌سازی بالاتر استفاده شده و دسترسی به اطلاعات ۳ تا ۱۵ مگابیت بر ثانیه است که در DVDهای امروزی استفاده می‌شود. هر فریم از تصویر شامل چندین سطر از اطلاعات دیجیتالی است.

• روش MPEG 4

قبل از تعریف این روش برایتان مثالی میزنیم که درک مفهوم برای شما آسان شود.

صحنه‌ی بازی تنیس را در نظر بگیرید که می‌توان آن را به دو موضوع بازیکن و زمین بازی تقسیم کرد. زمین بازی همواره ثابت است و به عنوان یک موضوع ثابت همواره تکرار می‌شود. ولی بازیکن همواره در حال حرکت است و چندین موضوع مختلف خواهد بود. این مسئله باعث کاهش پهنای باند اشغالی توسط تصاویر دیجیتالی می‌شود. توجه کنید که اینها تنها سیگنال‌های ارسالی نیستند بلکه به همراه آن‌ها سیگنال‌های هماهنگ کننده که نحوه ترکیب و قرارگیری صحیح موضوعات را مشخص می‌کند، نیز ارسال می‌شود.

ایده اصلی این روش تقسیم یک فریم ویدیوئی به یک یا چند موضوع است که طبق قاعده خاصی کنار هم قرار می‌گیرند و هر کدام شامل یک موضوع صوتی یا تصویری است و به صورت مجزا قابل کپی یا انتقال هستند. می‌توانیم اجزا مشترک را فقط یک بار به کار ببریم و هنگام ساختن موضوع به آن‌ها رجوع کنیم و حتی با ترکیب موضوعات می‌توانیم مجموعه جدیدی به‌وجود بیاوریم. این مسئله باعث انعطاف‌پذیری و کاربرد فراوان روش MPEG 4 شده است.

آیا حسگرهای مهم در پردازش تصویر را می‌شناسید؟

در پردازش تصویر از سنسورها و حسگرهای مختلفی استفاده می‌شود که در اینجا فقط به مهم‌ترین آنها شاره کرده‌ایم:

• حسگر نقطه‌ای: حرکت در جهات افقی و عمودی

• حسگر برداری: از چند حسگر نقطه‌ای تشکیل شده که در هر جابه جایی یک خط تصویر برداری می‌شود.

• ماتریسی: نیاز به حرکت نیست و در یک لحظه از تمام هدف تصویر برداری می‌شود.

کلام آخر:

خب دوستان؛ فهمیدیم که پردازش تصویر چیست و ممنونم که تا اینجای مسیر همراه ما بودید. حالا می‌توانید کمربندهای ایمنی خود را باز کنید چون گردش علمی ما به پایان رسید. امیدوارم از این سفر لذت برده باشید و طولانی بودن مسیر شما را خسته نکرده باشد. اما دوست دارم به عنوان حرف آخر نکته جالبی را برای شما بگم که پردازش تصویر از علوم مختلف موجود در ریاضی نیز بهره میبرد که با استفاده از کاربردش از آن استفاده می‌کنند.

پس برای استفاده بهتر از ابزار موجود در پردازش تصویر در ریاضی باید با علوم زیر آشنا شوید:

• حساب دیفرانسیل و انتگرال 

• جبر خطی

• آمار و احتمال

• معادلات دیفرانسیل (ODE, PDE)

• هندسه دیفرانسیل 

• آنالیز هارمونی( سریه فوریه، موجک و …)

پیشنهاد:

ما در پایان سفر خود یک پیشنهاد دیگر هم برای شما داریم. اگر علاقه‌مند به موضوعات این چنینی هستند و دوست دارید با تکنولوژی‌های روز آشنا شوید حتما سری هم به مقاله هوش مصنوعی چیست ما بزنید و از قدرت‌های آن هیجان زده و متعجب شوید.

ممنون که تا پایان سفر ما را همراهی کردید. مشتاقانه منتظر پیام‌های شما عزیزان به عنوان حرف، نکته و یا در میان گذاشتن تجربه کاری خود در این زمینه هستیم.